综合性训练与实验目的：
1）加深学生对成分与性能、结构与性能、组织与性能等关系的理解。
2）熟练地应用Fe-Fe3C相图分析铁碳合金的结构、组织、状态和性能的变化规律。
3）掌握选择碳钢的方法。
一、综合性训练提纲
1.成分与性能
1）通过炼钢工艺把生铁转变为钢。比较炼钢生铁与钢的成分、性能及应用。
2）通过脱氧过程把富有FeO的钢脱氧成为镇静钢。比较镇静钢与沸腾钢的成分、性能及应用。
3）通过不同炼钢工艺能炼成碳素结构钢、优质碳素结构钢和高级优质碳素结构钢。比较上述钢中硫、磷等有害杂质的含量及其对钢性能和应用的影响。
4）通过炼钢工艺中对钢含锰量的控制，能炼成不同含锰量的优质碳素结构钢。比较其成分、性能及应用。
5）通过炼钢工艺中对钢含碳量的控制，能炼成结构钢和工具钢。比较碳素结构钢与碳素工具钢的成分、性能及应用。
2.结构与性能
1）铁在912℃以上具有面心立方晶格结构，铝、铜在常温下也具有面心立方晶格结构，分析铝、铜、912℃以上的铁等金属塑性较好的主要原因是什么。
2）钢在高温时具有奥氏体的相结构，而在室温时为铁素体和渗碳体的相结构。分析锻造加工时加热工件进行锻造的原因。
3）比较奥氏体、铁素体和渗碳体的结构、性能及应用。
4）晶体中原子排列不规则的区域称为晶体缺陷。点缺陷、线缺陷和面缺陷都可以看成是晶体中具有的畸变结构区域。分析不同类型的畸变结构与强化金属材料的基本途径之间的关系。
3.组织与性能
1）生产中常采用增加过冷度、变质处理和附加振动等措施获得细晶组织，分析细晶强化的原因。
2）共晶成分的合金具有特别细小均匀的共晶体组织。试解释生产中常采用T7、T8钢材料和接近共晶成分灰铸铁材料的道理。
3）当钢中硫的含量较高时，FeS与铁形成低熔点共晶体，分布在奥氏体晶界上。因此，钢具有热脆性。钢的室温组织中出现网状二次渗碳体，对钢的力学性能和形变加工性能为什么会产生不良影响？
4）高碳钢具有网状二次渗碳体及层片状珠光体组织时，会因硬度太高而难以切削加工。生产中常采用各种工艺方法来消除二次渗碳体，使渗碳体层片球状化。这样处理后的组织为什么具有较好的切削性能？
4.碳钢材料分析
通常大量使用的钢铁材料有碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸造碳钢。选用碳钢材料的主要依据是其成分和性能。分析各种碳钢材料的成分、性能及用途。
二、小结
1）根据金属的成分、结构和组织来判断其性能，是分析金属性能的基本方法。
2）Fe-Fe3C相图是铁碳合金理论的核心。
3）碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸造碳钢是最常用的机械工程材料。
三、铁碳合金平衡组织观察实验
1.实验目的
1）研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。
2）分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
2.概述
铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。我们可根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。此外，对碳钢与白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe-Fe3C相图的理解。
从相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而会呈现各种不同的组织形态。各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表13-5。
表13-5 各种铁碳合金在室温下的显微组织
用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。
（1）铁素体（F）
铁素体是碳在α-Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性和良好的塑性，硬度较低。用3%～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。
（2）渗碳体（Fe3C）
渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其中碳含量为6.67%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3%～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体成亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体和渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的状态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往成网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
（3）珠光体（P）
珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织（图13-11）。在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片层厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。
图13-11 不同放大倍数下的珠光体显微组织(www.xing528.com)
（a）500×；（b）1500×；（c）7000×
高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可获得球状珠光体。
上述各类组织组成物的机械性能见表13-6。
表13-6 各类组织组成物的机械性能
（4）莱氏体（Ld′）
莱氏体是指在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1146℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。
根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。
3.工业纯铁
纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量＜0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图13-12所示为工业纯铁的显微组织，其黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界可处以看到不连续的薄片状三次渗碳体。
图13-12 工业纯铁显微组织（100×）
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
4.钢
（1）亚共析钢
亚共析钢的含碳量为0.02%～0.8%，其组织由铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得。例如，含碳量为0.45%的钢（45钢）珠光体的相对量为
＝56%，铁素体的相对量为
×100%＝44%。
另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数近似地计算出钢的碳含量，即碳含量≈P×0.8%，其中P为珠光体所占面积百分数。例如，在显微镜下观察到此钢有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则其含碳量
（室温下铁素体含碳量极微，约为0.008%，可忽略不计），即相当于40钢。
图13-13所示为亚共析钢（20钢和45钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，黑色为珠光体。
图13-13 亚共析钢显微组织
（a）20钢（100×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液；（b）45钢（100×）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
（2）共析钢
含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成，组织如第三章图3-5所示。
（3）过共析钢
含碳量超过0.8%的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。
图13-14表示含碳量为1.2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的网络状渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状，如图13-14（a）所示；若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体就会被染成黑色，而铁素体仍保留白色，如图13-14（b）所示。
5.实验方法指导
（1）实验内容及要求
图13-14 过共析钢（T12）显微组织（400×）
（a）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液；（b）浸蚀剂：碱性苦味酸钠溶液
1）在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程，通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。
2）实验前学生应复习课程相关内容，并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备。
3）在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型。
4）绘出所观察到的显微组织图。
5）根据显微组织近似地确定亚共析钢（20钢或45钢）中的平均含碳量。
（2）实验设备及材料
金相显微镜、金相图谱及各种铁碳合金的显微样品。
（3）注意事项
1）在观察显微组织时，可先用显微镜低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍对部分地区进行详细的观察。
2）在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察。
3）画组织图时应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕或杂质画在图上。
（4）实验报告要求
1）绘制观察试样的组织示意图，指出试样组织的特征。
2）根据观察钢组织中铁素体块与珠光体块的面积比，判断钢的含碳量。
3）根据所观察的组织组成判断合金的性能。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
